Question

火山岩储层成因机理

Answer 1

一、火山岩储层储集空间类型

火山岩储层中孔、洞和裂缝是油气储存的空间和通道，火山岩储层的储集空间类型、孔隙结构是研究的重要内容。

根据中国含油气盆地火山岩储层的大量资料及岩心、薄片及铸体薄片的观察和研究，考虑到火山岩储层的形成和演化机制，可将火山岩储层的储集空间分为原生孔隙、次生孔隙和裂缝三大类(表7-4)。

表7-4 火山岩储层储集空间类型和特征

续表

二、中国含油气盆地火山岩储层类型与特征

中国大部分含油气盆地中发育火山岩，且分布范围较大、岩层较厚，其储层形成有火山、成岩和构造3种作用，依据其成因特征，可将火山岩储集层划分为熔岩型、火山碎屑岩型、溶蚀型、裂缝型4类(表7-5)，各种类型在产出部位、展布形态、孔隙类型、物性及渗流特征等方面存在明显差异。如新疆北部石炭系火山岩，不同岩性经后期风化淋滤，发育孔隙和微裂缝，形成溶蚀型好的储集层(图7-6，图7-7)。

表7-5 火山岩储集层形成作用与类型

中国含油气盆地古生界和中、新生界广泛发育火山岩，具有分布范围广、地质时代延续时间长的特征，不具岩石类型的专属性，不论是基性岩、中性岩、酸性岩，还是火山岩、侵入岩，抑或是熔岩、火山碎屑岩，自新生界到太古宇都有好的储集层。如松辽盆地营城组、银根盆地苏红图组、二连盆地阿北油田兴安岭群、渤海湾盆地中新生界、江汉盆地中新生界、苏北盆地中新生界、北疆石炭系、四川盆地二叠系等火山岩储集层(表7-6)。

表7-6 中国含油气盆地火山岩储集层特征

续表

火山岩储集层孔隙度受埋藏深度影响不大，这是因为火山岩骨架较其他岩石坚硬，抗压实能力强，在埋藏过程中受机械压实作用影响小，火山岩的孔隙比其他岩石更容易保存下来，因此中国陆上火山岩勘探深度可下移1000～2000m。在埋藏较深的情况下，碎屑岩孔隙度较火山岩孔隙度小，如准噶尔盆地石西油田石炭系火山岩，在深度大于3800m时，火山岩孔隙度为8.46%～19.78%，平均为14.4%，而碎屑岩孔隙度平均约7.13%。

三、火山岩储层形成主控因素

火山岩储集空间的形成、保持及改造等一系列不同阶段的演化过程是非常复杂的。原生孔隙和裂缝主要受到原始喷发状态，即火山岩相控制;在相同的构造应力作用下，构造裂缝的发育和保存程度也受到原始喷发状态的控制。火山喷发后，冷凝熔结和压实固结形成的火山岩，原生气孔互不连通，没有渗透性，只有经过后期不同阶段的各种地质作用改造，才具有储集性。总体来说，火山作用、构造运动、风化淋滤作用及流体作用是火山岩储层储集空间形成和发育的主要成因机制和地质作用。

1.火山作用控制原生储集空间的形成和发育

火山作用不仅控制了储集体形态和规模，也控制着储集空间的类型和岩石矿物组分特征。原生型火山岩储集层的储集性能主要受火山岩岩石类型和岩相的控制，不同岩石类型的火山岩发育不同类型的储集系统。如准噶尔盆地五彩湾凹陷基底火山岩中，火山碎屑岩具最高的孔隙度(1.26%～30.08%，平均9.84%)，其次是安山岩(8.14%)、凝灰岩(7.92%)，玄武岩孔隙度最低(5.89%)。

岩相是影响原生型火山岩储集层的重要因素，不同岩相、亚相具有不同的孔隙类型，同岩相的不同亚相储集层物性可能差别很大;岩石结构和构造控制着原生和次生孔、缝的组合和分布，火山岩储集层的物性和储集空间类型、特征及其变化主要受到火山岩亚相的控制。

火山通道相储集空间主要为孤立的气孔及火山碎屑间孔，如济阳坳陷商74-6井下部2541.71～2548.27m井段的火山通道相熔岩，实测孔隙度为13.1%～16.4%，渗透率为106.95×10^-3μm²，熔岩中常见柱状节理发育，从而形成良好的储集空间。

图7-6 火山岩储集层储集空间类型

图7-7 准噶尔盆地西北缘各岩性发育微裂缝示意

火山爆发相以火山碎屑岩产出为特征，爆发时的冲力将顶板及围岩破碎形成大量裂缝、裂纹，同时形成火山角砾岩，火山角砾间孔及气孔发育;另外，由于火山爆发相一般都处于古侵蚀高地，容易遭受风化淋滤作用，因此，溶蚀孔(洞)和溶蚀裂缝发育，能够形成有利的储集区域。如济阳坳陷商74-12井1975～1979.6m，火山角砾岩孔隙度为20.7%～33.1%，渗透率为(11.2～140)×10^-3μm²;商74-6井1830～1838m，火山角砾岩孔隙度为16.7%～37.4%，渗透率为(0.988～3170)×10^-3μm²，该相带也是较为有利的储集相带。

火山喷溢相形成于火山喷发的各个时期，熔岩原生气孔发育，次生孔隙主要表现为长石的溶蚀和玻璃质经过脱玻化形成长石、石英等矿物后体积缩小产生的孔隙。如喷溢相上部亚相是松辽盆地兴城和升平地区储集层物性最好的岩相带。

侵出相中心带亚相储集空间主要为裂缝、溶孔、晶间孔等微孔隙，储集物性较好，是有利的储集相带。

2.火山喷发环境影响原生储集空间的发育程度

喷发环境对火山岩储集空间的形成有很大影响。如火山岩在水体深部喷发，溶解于岩浆中的挥发分不容易逃逸难以形成气孔，故原生气孔不发育，加之水体的共同作用，火山岩发生明显的蚀变(绿泥石化)和充填作用，使本来就少的原生孔隙减少。如在浅水环境或陆上喷发，特别是喷发时遇大气降水，一方面溶解于熔浆中的挥发分可以大量逃逸形成原生气孔，另一方面由于炽热岩浆突遇水体产生淬火作用形成大量原生微裂隙，并把原生气孔很好地连通起来，构成良好的原始储集空间。不同的喷发环境导致储集层物性差异较大，如准噶尔盆地五彩湾凹陷火山岩孔隙度(8.14%)、渗透率(1.14×10^-3μm²)均不及石西油田(孔隙度和渗透率分别为14.77%和2.08×10^-3μm²)。

3.成岩作用控制次生储集空间发育

火山岩成岩作用类型主要有压实作用、充填作用、溶解作用和交代作用等，它们对储集层形成的作用不尽相同。充填作用降低储集层的孔渗性，不利于火山岩储集层的发育;压实作用不利于储集层的形成、保存及发展，特别是对于火山碎屑岩影响显著。较常见的成岩蚀变包括绿泥石化、方解石交代和沸石化等，其对火山岩储集层形成既有消极影响，也有积极作用，火山岩中的气孔往往不直接成为储集空间，而是先被绿泥石、沸石、方解石等充填，尔后被地下水溶蚀，再由裂缝连通才能成为储集层。

火山活动和构造运动以及排烃作用等都会引起大规模的流体活动，流体对火山岩的直接影响是引起物质的带入和带出，使火山岩体处于开放体系下。流体可分为热液流体和与有机质有关的酸性流体。流体使火山岩孔隙结构发生变化，大大改善了火山岩储集层的物性，使火山岩储集空间类型更加复杂多样。热液活动的直接结果是导致原有矿物发生蚀变和溶蚀，同时有新的矿物形成，导致次生胶结和充填作用发生，蚀变和溶蚀使火山岩孔隙度增加，胶结和充填使孔隙度、尤其是渗透率降低。

火山岩储层物性发育程度与风化淋滤作用密切相关，风化淋滤作用不但可以使岩石破碎，也可以使岩石的化学成分发生显著变化，如发生矿物溶解、氧化、水化和碳酸盐化等。如升深2井营城组顶部的紫色安山质熔结凝灰岩，由于风化淋滤作用使得原本致密的爆发相凝灰质熔岩变得极为疏松，在岩心中呈豆腐渣状，其孔隙度大于15%，渗透性好。因此，风化淋滤作用不仅是影响火山岩储集性能的一个重要因素，而且也是火山岩中普遍存在的地质现象，火山岩顶面至不整合面的距离成为风化淋滤溶蚀储集层储集空间发育的重要控制因素。溶蚀作用主要表现为物质的带出过程，总的效应是使孔隙增加，次生孔隙都与溶蚀有关，它是控制火山岩储集性能的另一个重要因素，在酸性水(有机酸和无机酸)的作用下，溶蚀作用使火山岩中的不稳定组分发生溶解，形成次生孔隙。

4.构造作用控制裂缝的发育

构造运动和构造部位对断裂的形成、裂缝的发育程度起着主导作用。裂缝的形成对储集层发育具有3方面的影响:①在气孔-杏仁发育带形成裂缝，提高气孔的连通程度，增加渗透率，更重要的是，地表淡水或地下水沿裂缝对火成岩进行溶解改造，在原来气孔、残余气孔及基质晶间孔的基础上形成大量的溶蚀孔隙，甚至溶洞;②在致密段形成裂缝，可形成单纯的裂缝型储集层，且在一定条件下，还可发育溶孔，甚至溶洞;③裂缝的存在可改善地层水的分布和流动特点，从而促使溶解作用的发生与发展，如岩心或显微镜下所见沿构造裂缝发育的次生溶孔，就是该作用的结果。如三塘湖盆地石炭-二叠系火山岩至少发育两期构造裂缝，其中Ⅰ期裂缝形成时间较早，规模较大，对储集层影响较大(是溶孔、溶洞发育的成岩水渗透流通道)，但裂缝本身绝大部分已被充填;Ⅱ期裂缝规模较小，对储集层的改造作用不如Ⅰ期，但因该期裂缝大部分为开启缝，充填物质少，故对储集层质量的提高有较大意义。

四、次生风化壳型火山岩储集体结构特征

1.火山岩风化壳结构

火山岩风化壳是指火山岩风化后形成的具有矿物和储层特征结构差异的联合体，可通过岩心、微观、测井等特征进行识别，如当钻遇火山岩顶部风化粘土层时，若火山岩中断层处发育氧化环境断层泥、自碎缝中有氧化铁衬边、火山岩粒内孔隙中存在示底构造等标志，可判断为火山岩风化壳。

图7-8 火山岩风化壳结构

完整的火山岩风化壳具有5层结构，即土壤层、水解带、溶蚀带、崩解带和母岩(图7-8)。土壤层中多为次生矿物，多数区域遭剥蚀，成土状;水解带以泥岩和火山岩细小颗粒为主，多数风化分解破碎为泥土，以蚀变作用为主;溶蚀带中气孔杏仁构造和裂缝发育，风化淋滤、构造碎裂和热液蚀变作用强;崩解带以火山岩碎块为主，块体较大，见少量气孔，微裂缝较发育，裂缝和气孔被充填或半充填;母岩中火山岩块体完整，孔洞缝不发育。受表生环境地表水淋滤和蒸发作用影响，不同结构层中含盐量不同，土壤层中由于蒸发作用，含盐量较高;水解带和溶蚀带是地表水的淋滤流经层，含盐量较低;崩解带位于风化壳下部，为地表淋滤水的滞留层，含盐量较高。

完整的火山岩风化壳结构中土壤层、水解带、溶蚀带和崩解带厚度所占比例分别约为6%、24%、34%和36%。低洼区具备完整5层结构，坡度较陡的古构造高部位一般缺失土壤层。

在表生作用环境下，火山岩中不同矿物的析出程度和速度不同。结构和矿物成分的变化，形成不同结构层储层物性的差异。风化指数(式(7-1))用来判断风化壳不同结构的界限。火山岩风化壳土壤层、水解带、溶蚀带、崩解带的风化指数判别标准分别为:＞50%，25%～50%，10%～25%，＜10%。

非常规油气地质学

2.火山岩风化壳形成机理及厚度特征

火山岩风化强度主要受控于风化淋滤时间和表生环境。风化壳厚度主要决定于风化淋滤时间。

通过风化壳残余物形成和剥蚀速率关系推导、钻孔和野外剖面测量、风化淋滤时间恢复，认为风化壳厚度与风化淋滤时间存在正向非线性指数关系。

风化残余物形成速率与风化淋滤时间存在负向指数关系，即随着风化壳厚度增大，残余物形成速率减小。

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式中:dr_f/dt为风化残余物形成速率;k₁、n₁是与岩性、表生环境有关的参数，均大于0。

风化残余物破坏速率随残余物厚度增加而增大，二者之间存在正向指数关系。

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式中:dr_d/dt为风化残余物破坏速率;k₂、n₂是与岩性、表生环境有关的参数，均大于0。

当外部因素保持在某一变化范围内时，风化壳形成速率随风化淋滤时间增大而减小，而剥蚀速率随风化淋滤时间增大而增大，当风化残余物形成速率等于剥蚀速率时，即dr_f/dt=dr_d/dt，风化壳厚度趋于最大。这里风化剥蚀速率的确定未考虑断裂作用。

安山岩、花岗岩、玄武岩、火山角砾岩和凝灰质火山角砾岩等不同岩性随风化淋滤时间的变化存在差别，但是差别较小，不同火山岩岩性可以统一考虑，但凝灰岩一般不能形成风化壳，风化壳厚度与风化淋滤时间呈对数关系(图7-9a)，二者关系见式(7-4)。

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式中:d为风化壳厚度，m;t为风化淋滤时间，Ma;a、b为常数，新疆北部石炭系火山岩a=81.427，b=101.81，相关系数R²=0.9756。

图7-9 火山岩风化壳厚度与风化淋滤时间、埋藏深度关系

当风化壳厚度增加速率小于风化淋滤初期增加速率的5时，认为风化壳厚度趋于动态平衡，风化壳厚度趋于最大值;火山岩达到风化淋滤平衡所需时间约为36.3Ma，火山岩风化壳厚度达到50%所需风化淋滤时间约为5Ma，风化淋滤趋于平衡时的风化壳平均厚度约为450m，利用此模型，在确定研究区风化淋滤时间后，可以预测火山岩风化壳厚度，从而确定钻井设计深度。从钻遇石炭系火山岩风化壳取心井孔隙度样品分析结果来看，距主断裂较远的风化壳有利储层主要分布于风化壳顶面以下450m范围之内(图7-9b)，这一点佐证了风化壳厚度与风化淋滤时间的关系模型。

3.火山岩风化壳储层物性特征

风化淋滤作用使火山岩经受物理、化学作用，储层物性明显高于同时代的原生型火山岩储层。由于不同火山岩岩性的可溶性矿物、岩石强度及脆性等性质不同，在相同表生环境下不同岩性形成的储集性能存在差别，风化强度不同造成火山岩的蚀变程度不同。对1241块不同蚀变程度的玄武岩、安山岩、火山角砾岩和凝灰岩样品的储层孔隙度研究表明，未蚀变火山岩中火山角砾岩平均孔隙度最大，为8.3%，可形成有利储层(该区油气能形成工业产能的孔隙度下限为6%)，而其他未蚀变火山岩岩性不能形成有利储层;弱蚀变火山岩中，玄武岩、安山岩、火山角砾岩平均孔隙度均大于6%，能形成有利储层，而凝灰岩孔隙度较低，为3.6%，不能形成有利储层;强蚀变火山岩的不同岩性均能形成有利储层，且各种岩性平均孔隙度均超过同时代的原生型火山岩中火山角砾岩储层的平均孔隙度8.3%(图7-10)。

图7-10 不同岩性、蚀变程度火山岩平均孔隙度分布

火山岩风化壳储层物性主要受风化壳结构、风化淋滤时间和裂缝等因素控制;火山岩风化壳中溶蚀带和崩解带储层物性最好，平均孔隙度为10%～18%，能够形成良好储层;土壤层一般只能作为盖层;水解带物性差，只能形成差储层。

以往油气勘探过程中没有认识到火山岩风化壳结构对储层物性的控制作用，一般钻遇火山岩风化壳50m以内完钻，在古构造高部位或短期风化淋滤区，由于土壤层和水解带较薄，可发现火山岩风化壳地层油气藏;而在长期风化淋滤的古构造斜坡和低洼部位，土壤层和水解带厚度一般大于50m，不整合面之下50m内储层物性较差，导致勘探中的油气层漏失;同时没有认识到断裂有助于增加风化壳厚度，使得勘探深度不够，漏失了深层油气藏。

对新疆北部石炭系钻穿火山岩风化壳的28口井不同结构层的6854个孔隙度样品进行系统分析，其结果是储层物性由好到差的顺序为溶蚀带、崩解带、水解带、母岩、土壤层。风化壳结构从上到下的土壤层、水解带、溶蚀带、崩解带、母岩的平均孔隙度分别为2.6%、5.4%、16.8%、12.7%和4.6%，研究区火山岩油气藏提交探明储量的孔隙度下限为6.4%，可见，溶蚀带和崩解带能够形成有效储层，是油气勘探的主要目的层，其他结构层和母岩不能形成有效储层。

不同结构层中孔隙结构有差异，土壤层以细喉微孔为主，储层物性差，一般作为盖层;水解带以细孔细喉为主，储层物性较差，钻探过程中会见到油气显示，但不能形成工业产能;溶蚀带以中孔粗喉为主，溶蚀孔、洞和微裂缝发育，储层物性最好，一般具有双重介质特征，已钻探的溶蚀带最大孔隙度达32%，试油结果同样证实溶蚀带是油气产出的主力层段，易形成高产;崩解带以细孔中喉为主，溶蚀孔和微裂缝较发育，储层物性较好，可形成有效储层;石炭系火山岩年代较老，改造作用较强，母岩一般不能形成有效储层。风化壳不同结构层的储层物性特征在勘探中得到了证实，如三塘湖盆地马19井火山岩风化壳中溶蚀带、崩解带、水解带、母岩的平均孔隙度分别为17.6%、13.4%、6.2%和4.8%(图7-11)，试油结果证实溶蚀带对应井段油产量最高。

图7-11 马19井风化壳结构及物性特征